i
UNIVERSITAS DIPONEGORO
RANCANG BANGUN
AUTOMATIC GUIDE VEHICLE
DENGAN PENGATURAN DATA KOORDINAT SEBAGAI
INPUT
TUGAS AKHIR
Disusun oleh:
DAVID ANTONIUS IRAWAN
L2E 007 025
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN
ii
TUGAS SARJANA
Diberikan kepada:
Nama : David Antonius Irawan
NIM : L2E 007 025
Pembimbing I : Dr. Achmad Widodo, ST, MT Pembimbing II : Dr. Susilo Adi Widyanto, ST, MT Jangka Waktu : 8 bulan
Judul : Rancang Bangun Automatic Guide Vehicle Dengan Pengaturan DataKoordinat Sebagai Input
Isi Tugas :
1. Merancang dan membuat desain sistem kontrol kestabilan orientasi pitch sehingga mobil robot bergerak sesuai dengan lintasan.
2. Mengaplikasikan sensor IMU yang terdiri dari gyroscope
dan sensor compass sebagai perangkat untuk membangun sistem referensi orientasi sudut yang mampu memberikan informasi yang diperlukan dalam pengendalian kestabilan gerak.
3. Mencari nilai parameter kontrol Proportional Integral Derivative (PID) agar diperoleh kestabilan gerak yang baik.
Dosen Pembimbing 1, Dosen Pembimbing 2
iii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
NAMA
: David Antonius Irawan
NIM
: L2E 007 025
Tanda Tangan :
iv
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
NAMA : David Antonius Irawan
NIM : L2E 007 025
Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin
Judul Skripsi : Rancang Bangun Automatic Guide Vehicle Dengan Pengaturan Data Koordinat Sebagai Input
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai
bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Diponegoro.
TIM PENGUJI
Pembimbing I : Dr. Achmad Widodo, ST, MT ( )
Pembimbing II : Dr. Susilo Adi Widyanto, ST, MT ( )
Penguji : Ir. Bambang Yunianto, MSc ( )
Penguji : Dr. Sulardjaka, ST, MT ( )
Semarang, 10 Agustus 2012 Ketua Jurusan Teknik Mesin
v
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : David Antonius Irawan
NIM : L2E 007 025
Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Jenis Karya : Tugas Akhir
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :
“RANCANG BANGUN AUTOMATIC GUIDE VEHICLE DENGAN PENGATURAN DATAKOORDINAT SEBAGAI INPUT”
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir ini, selama tetap mencantumkan nama saya dan pembimbing sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Semarang Pada Tanggal : 10 Agustus 2012
Yang menyatakan
vi ABSTRAK
Ketidakakuratan hasil masukan dari sensor encoder dapat terjadi pada navigasi kontrol mobil robot diakibatkan benda kecil menempel pada roda sehingga menyebabkan benjolan kecil serta slip yang terjadi antara roda dengan lantai. Hal ini menyebabkan navigasi robot tidak dapat mengetahui posisi yang akurat, sehingga robot tidak mampu berjalan sesuai dengan lintasan yang ada. Dari permasalahan tersebut perlu dikembangkan suatu sistem yang dapat memprediksi kompensasi error yang dialami oleh encoder.
Tujuan penelitian ini adalah mencari sensor error kompensator dan metode
filter agar robot dapat berjalan sesuai lintasan. Pada penelitian menggunakan IMU
(Inertial Measurement Unit) sebagai sensor kompensator. IMU yang digunakan terdiri dari sensor kompas dan giroskop. Kedua sensorini menggunakan frame absolute bumi. Nilai masukan dari sensor encoder di kompensasi oleh dua sensor yaitu kompas serta giroskop. Giroskop mengkompensasi kecepatan sudut dari encoder, kompas mengkompensasi nilai encoder terhadap arah medan magnet. Kedua sensor tersebut mempunyai error masing - masing . Untuk itu diperlukan filter yang dapat memberikan nilai kompensasi yang tepat.
Jenis filter yang digunakan adalah complementary filter. Metode filter ini memberikan nilai kepercayaan untuk masing – masing sensor berdasarkan karakteristiknya. Hasil percobaan menggunakan complementary filter menunjukan bahwa mobil robot dapat berjalan sesuai lintasan, meningkatkan reliability pada mobil robot.
Kata Kunci : Mobil Robot, IMU, Inertial Measurement Unit, Encoder, Kompas, Giroskop, UV (Unmanned Vehicle)
vii
ABSTRACT
Inaccuracies result of input from the encoder sensor which occurred in control navigation of mobil robot due to the small object attached to the wheel causing a small bump and slip that occurs between the wheels with the floor. It causes the robot navigation unable to know the accurate position and the robot would not be able to run in accordance with the existing trajectory. From this problem, it is needed to develop a system which can predict the error compensation experienced by the encoder.
The purpose of this final project is to look for error compensator sensor and filter method in order to produce good results. In this study the authors use the IMU (Inertial Measurement Unit) as the sensor compensator. IMU sensor consists of compass and gyroscope sensor. Both of sensors use absolute frame of the earth. The input value of the encoder is compensated by the two sensors, namely compass and gyroscope. Gyroscope compensate omega (angular velocity) of the encoder, compass compensate direction of encoder based on magnetic field . But these sensors has its own error. For that it is needed filter that can provide appropriate compensation.
Complementary filter was used in this research. This filter method provides confidence values for each sensor based on its characteristics. From the experiments, complementary filter gives good results on IMU navigation of mobil robot, the robot can walk along the trajectory and have a good reliability.
viii
MOTTO
PERSEMBAHAN
Kupersembahkan Tugas Akhir ini kepada
Papi Agoes Budi Utomo, Mami Melie,
Fiona Dewi dan adik ku tercinta
Terima Kasih atas berbagai dukungan dan
doa yang telah di berikan,
Tuhan Yesus memberkati
“
Allah turut bekerja dalam segala sesuatu
untuk mendatangkan kebaikan bagi
mereka yang mengahsihi Dia.
”
ix
KATA PENGATAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan hikmat dan berkat-Nya, karena hanya dengan pertolongan-Nya lah maka penulis dapat melewati masa studi dan menyelesaikan Tugas Akhir yang merupakan tahap akhir dari proses untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin di Universitas Diponegoro.
Pada dasarnya karya ini tidak akan terselesaikan tanpa bantuan dan dorongan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini perkenankanlah penulis untuk mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak, diantaranya:
1. Bapak Dr. Achmad Widodo, ST, MT dan Dr. Susilo Adi Widyanto, ST, MT selaku dosen pembimbing pengarahan-pengarahan dan masukan-masukan kepada penulis untuk menyusun Tugas Akhir ini.
2. Saudara Yuniawan Wijanarko dan Tim Robot Universitas Diponegoro yang telah memberikan masukkan dan tempat diskusi tentang Tugas Akhir ini.
3. Saudara Albert Yanuar Susanto, ST, Yuhanes Dedy Setiawan, ST, Ivan Anggasta wijaya dan teman – teman angkatan 2007 yang selalu memberikan wejangan dan dukungannya.
Penyusun menyadari bahwa dalam menyusun laporan ini terdapat kekurangan dan keterbatasan, oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk kesempurnaan dan kemajuan penulis dimasa yang akan datang sangat diharapkan. Akhir kata penulis berharap semoga hasil laporan ini dapat bermanfaat bagi seluruh pembaca.
Semarang, 10 Agustus 2012
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL………... i
TUGAS SARJANA………. ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS……… iii
HALAMAN PENGESAHAN……….... iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS SARJANA UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS……….. v
ABSTRAK……….... vi
ABSTRACT……….... vii
HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN………...……… viii
KATA PENGANTAR………... ix
2.1.1 Perkembangan Navigasi Robot Mobil………...……….. 7
2.2 Konfigurasi Roda Penggerak Robot……….………... 11
2.3 Dinamika dari 2 Wheel Drive………... 13
xi
2.5.1 Sejarah Mikrokontroler……….……….. 31
2.5.2 Pemrograman Mikrokontroler………... 32
2.5.3 Perangkat Lunak CodeVision AVR………. 34
2.5.4 Struktur Pemrograman Bahasa C……… 36
2.6 Odometry………..……... 41
BAB III DESAIN DAN PEMBUATAN ROBOT MOBIL 3.1 Desain dan Spesifikasi Perangkat Mekanik………….………... 57
3.1.1 Desain Frame Robot Mobildi SolidWorks………... 57
3.1.2 Pembuatan Frame Robot Mobil……….…… 59
3.1.3 Penggerak dan Sistem Transmisi………... 60
3.2 Desain dan Spesifikasi Perangkat Elektronik dan Sistem Kontrol……….. 61
3.2.1 Mikrokontroler ATMEGA 128L..……….. 62
xii
3.3.1 Pengaturan dan Proses Inialisasi Mikrokontroler……….. 80
3.3.1.1 Pengaturan Chip……… 81
3.3.3 Implementasi Sistem Kontrol PID………... 93
3.3.4 Desain Keluaran Sinyal PWM Motor……….. 95
BAB VI PENGUJIAN DAN ANALISA KESTABILAN 4.1 Data Pengujian Gaya Angkat Rotor………. 98
4.2 Hasil Pengujian Respon Kontrol Kestabilan Pitch………..………... 100
4.2.1 Pengujian Sistem Kontrol Menggunakan Encoder…………... 101
4.2.2 Pengujian Sistem Kontrol Menggunakan Encoder dan IMU…………... 104
4.2.3 Pengujian Reliability Robot……….………... 107
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1Kesimpulan……… 112
5.2Saran……….. 112
DAFTAR PUSTAKA ……….. 113
xiii
Gambar 2.5. Diagram blok kontroler proporsional...………. 20
Gambar 2.6. Proportional band dari kontroler proporsional tergantung pada penguatan……… 20
Gambar 2.7. Kurva sinyal kesalahan e(t) terhadap t dan kurva u(t) terhadap (t) pada pembangkit kesalahan nol ……….... 22
Gambar 2.8. Perubahan keluaran sebagai akibat penguatan dan kesalahan ………... 22
Gambar 2.9. Blok diagram kontroler diferensial ……….... 23
Gambar 2.10. Kurva waktu hubungan input-output kontroler diferensial.…………... 24
Gambar 2.11. Blok diagram kontroler PID……….. 25
Gambar 2.12. Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran dengan masukan untuk kontroler PID ……….. 25
Gambar 2.13 Kurva respons tangga satuan yang memperlihatkan 25 % lonjakan maksimum………...……….. 26
Gambar 2.14. Respon tangga satuan sistem.……… 27
Gambar 2.15. Kurva respons berbentuk S………. 27
Gambar 2.16. Sistem untaian tertutup dengan alat kendali proporsional ..….……... 28
Gambar 2.17. Kurva respon sustain oscillation……… 29
Gambar 2.18. Kurva respon quarter amplitude decay..………... 30
Gambar 2.19. Mikrokontroler keluaran Intel 8008………..….... 31
Gambar 2.20. IDE perangkat lunak CodeVisionAVR versi 2.04.4a ………... 35
Gambar 2.21. Code generator yang dapat digunakan untuk menginisialisasi register-registerpada mikrokontroler AVR……….... 35
Gambar 2.22. Blok penyusun rotary encoder………. 42
xiv
Gambar 2.24. Contoh diagram keluaran absolut encoder 4-bit tipe gray code ….… 43
Gambar 2.25. Susunan piringan untuk incremental encoder……….………… 44
Gambar 2.26. Contoh pola keluaran incremental encoder………..…… 45
Gambar2.27. Output dan arah putaran pada resolusi yang berbeda-beda …………. 45
Gambar2.28. Cara kerja IMU dengan menditeksi roll, pitch, dan yaw………... 47
Gambar2.29. Model vektor tiga dimensi dari giroskop .………... 48
Gambar2.30. Kompas analog……….. 50
Gambar2.31. Karakteristik gangguan medan magnet………… 52
Gambar2.32. Koordinat X dan Y ………..………. 54
Gambar 3.6. Desain perangkat keras robot mobilyang dikembangkan..…………. 62
Gambar 3.7. Konfigurasi pin dari ATMEGA128……….. 65
Gambar 3.8. LCD M1632 ………..……….... 67
Gambar 3.9. DDRAM M1632 ………...……….... 67
Gambar 3.10 Incrementalencoder autonic E30S4–1000–3–T–5………... 68
Gambar 3.11. Output dan arah putaran pada resolusi yang berbeda-beda………….. 69
Gambar 3.12. GiroskopLY530AL ……….………. 71
Gambar 3.13. Konfigurasi kaki-kaki dan orientasi sensor LY530AL ……… 72
Gambar 3.14. CMPS03 digital kompas ……… 74
Gambar 3.15. EMS 30A H-Bridge ………. 76
Gambar 3.16. Motor DC nisca NC5475B……..………..………... 78
Gambar 3.17. Diagram alir sistem kontrol utama robot mobil ………. 80
Gambar 3.18. CodeWizard AVR………. 81
Gambar 3.19. Diagram kinematika dan dinamika robot……….. 95
Gambar 4.1. Pengujian torsi motor …..………. 98
Gambar 4.2. Perbandingan torsi motor kanan dan kiri..……….……... 100
xv
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tabel Sejarah Perkembangan Robot ………...… 8
Tabel 2.2 Tabel Perbandingan Konfigurasi Roda……… 11
Tabel 2.3 Tuning Parameter PID Dengan Metode Kurva Reaksi……… 28
Tabel 2.4 Tuning Parameter PID Dengan Metode Osilasi……….. 29
Tabel 2.5 Beberapa Kompilator C Untuk Mikrokontroler AVR……….. 33
Tabel 3.1 Perbedaan Seri AVR Berdasarkan Kapasitas Memori………. 64
Tabel 3.2 Spesifikasi Rotary Encoder………...……… 69
Tabel 3.3 Register CMPS03….……….. 75
Tabel 3.4 Pin – Pin Antarmuka Pada EMS 30A H-Bridge Header J1……..………. 77
Tabel 3.5 Pin – Pin Antarmuka Pada EMS 30A H-Bridge Header J2………... 77
Tabel 3.6 Spesifikasi Motor DC Nisca NC5475B ………. 78
xix
NOMENKLATUR
1. Simbol
AdcRz = Keluaran dari giroskop
Axz = sudut antara Rxz (proyeksi R bidang XZ) dan sumbu Z Ayz = sudut antara Ryz (proyeksi R bidang YZ) dan sumbu Z
RateAxz = kecepatan sudut antara Rxz dan sumbu Z (rad/s)
RateAyz = kecepatan sudut antara Ryz dan sumbu Z (rad/s) Rxz = proyeksi dari R vektor gaya inersia pada bidang XZ
Ryz = proyeksi dari R vektor gaya inersia pada bidang YZ
T = waktu tunda / periode (sekon)
Vzerorate = set tegangan output giroskop dengan kecepatan sudut nol (V)
xx
wg = nilai kepercayaan giroskop (%)
wk = nilai kepercayaan kompas (%)
Wt = kecepatan sudut encoder (rad/s)
X = koordinat posisi x (m)
Y = koordinat posisi y (m)
2. Huruf Yunani
α = sudut antara pulsa encoder (º)
αf = periode sudut (º.sekon)
θ = sudut (º)
est(n) = sudut estimasi ke-n (º)
encoder = sudut encoder (º)
= sudut giroskop (º)
kompas = sudut kompas (º)
= kecepatan sudut / omega (rad/s)
3. Singkatan
Kd = konstanta derivative Ki = konstanta integral Kp = konstanta proposional
M = momen (N/m)
PB = pita proposional
rwheel = jari – jari roda (m)
